Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2006 №12

В Институте геотехнической механики АН УССР разработан и исследован простой индуктивный измеритель перемещения, обеспечивающий высокую чувствительность, точность и стабильность результатов измерения при изменении параметров его элементов. Индуктивный измеритель перемещения (см. схему на рис. 1). содержит преобразователь с дифференциальными обмотками L1, L2, кольцевой диодный детектор VD3-VD6, выходной индикатор Р1, генератор прямоугольного напряжения на транзисторах VT1, VT2 и трансформаторе Т1.

Параллельные цепи последовательно соединенных дифференциальных обмоток L1, L2, индуктивного датчика и конденсаторов C1, С2 измерительного моста включены в цепь положительной обратной связи генератора. Такое включение автоматически обеспечивает работу преобразователя перемещений в резонансном режиме, то есть когда индуктивное сопротивление скомпенсировано емкостным и полное сопротивление каждой цепи практически равно активному сопротивлению обмоток. Через измерительный мост протекает переменный ток, по форме близкий к синусоидальному, поскольку добротность контура весьма высока. Благодаря наличию диодов VD1, VD2 ток контура непосредственно протекает через эмиттерный переход открытого в соответствующий полупериод транзистора генератора. Второй транзистор в это время закрыт.

Генератор прямоугольных импульсов работает практически без нагрузки, поэтому при его запуске ток в контуре, начиная с первого же такта, достигает установившегося значения. Транзисторы работают без смещения, что обеспечивает их переключение вблизи момента перехода тока контура "через нуль", т. е. преобразователь работает в резонансном режиме, при котором чувствительность измерителя перемещения максимальна.

На рис. 2 схематически изображена конструкция собственно датчика измерителя. Катушки L1 и L2 размещены на двух Ш-образных элементах 2 магнитопровода, установленных с зазором. В зазоре между элементами размещен якорь 1, изготовленный в виде пластины из ферромагнитного материала, Якорь механически связывают коромыслом 3 с перемещающимся звеном контролируемого механизма.

Для определения вида математического выражения, определяющего выходной ток преобразователя In, проведены необходимые теоретические исследования, в результате которых получена следующая упрощенная формула:

I_n=(0,9∙U_m/X_L+ R)∙(A∙w∙L_o/(√(A∙w∙L_o)² + r²)

где U_m — амплитудное значение напряжения питания,

X_L-индуктивное сопротивление одной катушки преобразователя,

R — сопротивление микроамперметра Р1;

A = dh/h — отношение смещения якоря к зазору между якорем и полюсом магнитопровода в исходном положении (см. рис. 2).

L() — индуктивность одной катушки при среднем положении якоря,

r — активное сопротивление одной катушки (r1 = r2);

w — угловая частота генератора.

Экспериментальные исследования преобразователя подтвердили достоверность полученного выражения. Для проверки работоспособности и технических характеристик индуктивности измерителя перемещения проведены лабораторные испытания нескольких макетных образцов в комплексе измерительной системы микробарометра. Установлено, что надежный запуск и устойчивая работа генератора обеспечиваются при напряжении источника питания 0,3 В и более при температуре в пределах от -5 до +50 °C. Работа измерителя при более низкой температуре не проверялась.

Основные факторы, дестабилизирующие работу преобразователя, — изменение напряжения питания и температуры. Поэтому питать преобразователь следует от стабилизатора напряжения. Температурная погрешность устройства в интервале от +5…40 °C не превышает 5 % на каждые 10 °C, причем смещение нулевой точки отсутствует, что особенно важно при использовании преобразователя для индикации рассогласования в компенсационных измерительных системах.

Чувствительность измерителя изменяется незначительно при изменении емкости конденсаторов измерительного моста в пределах от 0,01 до 0,18 мкФ (рис. 3). При этом автоматически устанавливается резонансная частота, определяемая параметрами последовательных LC-цепей. Изменение индуктивности каждой из обмоток, вызванное перемещением якоря в рабочем зазоре, не превышает 10 % номинального значения. Поскольку смещение якоря от нейтрального положения вызывает увеличение индуктивности одной из обмоток и уменьшение индуктивности другой на одно и то же значение, то резонансная частота практически не изменяется. От напряжения питания она зависит очень слабо. Результаты экспериментальных исследований показывают, что при изменении напряжения питания на 33 % уход частоты не превышает 0,25 %.

Описанный измеритель отличается от известных простотой устройства, экономичностью, высокими метрологическими характеристиками и с успехом применяется в высокоточных микробарометрах, выпускаемых рижским опытным заводом "Гидрометприбор". Он может быть использован при точных измерениях перемещения и в других областях техники.

Основные технические характеристики